EP2393758B1 - Verfahren zur aufarbeitung von abwässern - Google Patents

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EP2393758B1
EP2393758B1 EP10703410A EP10703410A EP2393758B1 EP 2393758 B1 EP2393758 B1 EP 2393758B1 EP 10703410 A EP10703410 A EP 10703410A EP 10703410 A EP10703410 A EP 10703410A EP 2393758 B1 EP2393758 B1 EP 2393758B1
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EP
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wastewater
nitroaromatics
stage
treatment
nitro
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Andreas Karl Rausch
Christoph Blöcher
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Bayer Intellectual Property GmbH
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Bayer MaterialScience AG
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    • C02F2101/30—Organic compounds
    • C02F2101/38—Organic compounds containing nitrogen

Definitions

  • the invention relates to a process for the treatment of nitroaromatics and nitro-hydroxy-aromatic-containing wastewaters, as obtained in the preparation of nitroaromatics.
  • Nitroaromatics and nitro-hydroxy-aromatics are bactericidal and / or poorly biodegradable. Therefore, they must not be released into the environment and should not be discharged in high concentrations into biological sewage treatment plants. This requires the process-technical work-up of this wastewater, so that the wastewater can be fed to a biological treatment plant.
  • DE 2818680 A1 claims a process for the treatment of waste waters containing nitro-hydroxy-aromatics, characterized in that the nitro-hydroxy-aromatic-containing wastewater under air and oxygen exclusion heated to temperatures ranging from 150 ° C to 500 ° C under pressure.
  • the preferred pressure range is 50 to 350 bar.
  • the wastewaters contain the nitrohydroxyaromatics in the form of their water-soluble salts, which can be formed in an alkaline medium.
  • a disadvantage of this method is the high pressure required, which leads to high costs for the provision and operation of suitable pumps in the continuous implementation of this method. Also, to maintain the required temperature, permanent heating is required.
  • Nitrite ions are also bactericidal and can only be accepted to a limited extent by biological wastewater treatment plants.
  • EP 503387 B1 claims a process for the treatment of wastewater containing aromatic nitro compounds from nitrobenzene preparation plants by treatment with nitric acid at temperatures of 180 to 350 ° C and pressures of 40 to 250 bar.
  • nitric acid at temperatures of 180 to 350 ° C and pressures of 40 to 250 bar.
  • the content of nitro-hydroxy-aromatics decreases to values of less than 1 ppm with a simultaneous total organic carbon (TOC) degradation (TOC) of more than 95%.
  • TOC simultaneous total organic carbon
  • EP 1132347 B1 claims a process in which effluents from nitroaromatic synthesis are first concentrated to near or above the solubility of the nitro-hydroxy-aromatics and then subjected to a thermal degradation treatment, which is preferably conducted at supercritical conditions for water.
  • a thermal degradation treatment which is preferably conducted at supercritical conditions for water.
  • operating conditions above the critical pressure and critical temperature of water are required.
  • the critical pressure of water is 218.3 bar and the critical temperature of water is 374.1 ° C ( Handbook of Chemistry and Physics, RC Weast (Editor), CRC Press, Boca Raton, 66th Edition, 1985, page F-64 , Table 2).
  • the operation of a wastewater treatment under such conditions causes high costs.
  • the oxidant used hydrogen peroxide causes high costs, which are the higher, the higher the content of nitroaromatics or nitro-hydroxy-aromatics in the wastewater.
  • the process owns a high consumption of catalytically active iron, so that considerable amounts of sludge arise whose disposal causes additional costs. For highly polluted wastewater as z.
  • the processes that use hydrogen peroxide as the oxidizing agent therefore unsuitable.
  • DE 3316265 C2 claims a process for the wet oxidation of organic matter in contaminated effluents by treatment with oxygen at elevated temperatures and pressures in the presence of a redox system such as iron ions and co-catalysts such as benzoquinone, naphthoquinone or p-aminophenol.
  • Example 17 of this document describes that the co-catalysts required for the oxidation can also be obtained by alkaline treatment of lignite, provided the lignite also remains in the reaction mixture during the oxidation step.
  • Example 18 describes the identical procedure for hard coal.
  • This document also teaches effluents containing oxidizing substances such as e.g. Nitroaromatics, a reducing agent, e.g. Hydrazine, sulfur dioxide, sodium sulfide or iron chips added to convert the exemplified nitroaromatics in amines.
  • oxidizing substances such as e.g. Nitroaromatics, a reducing agent, e.g. Hydrazine, sulfur dioxide, sodium sulfide or iron chips added to convert the exemplified nitroaromatics in amines.
  • This reduction must take place in an upstream process step, such as. a. from Example 16 of the document shows, in which sodium sulfide is used as a reducing agent.
  • the object of the invention was therefore to provide a reliable, simple and inexpensive process for the treatment of nitroaromatics and nitro-hydroxy-aromatic-containing wastewater, which is characterized by economically favorable operating conditions and ensures that the treated wastewater can be introduced into a biological treatment plant.
  • the invention relates to a process for the treatment of nitroaromatics and / or nitrohydroxy-aromatic-containing wastewater, characterized in that the wastewater in a first Stage with an organic reducing agent, which is not salt-forming in the wastewater, selected from peat, lignite and / or hard coal, added and treated under reducing conditions and then obtained from the first stage effluent acidified in a second stage and is oxidized with an oxidizing agent.
  • an organic reducing agent which is not salt-forming in the wastewater, selected from peat, lignite and / or hard coal
  • Lignite is characterized as a cost-effective reducing agent and does not contribute to increasing the salt load of the wastewater, since it is itself biodegradable.
  • the nitrogen contained in the nitroaromatics or nitro-hydroxy-aromatics is converted into bacteria-harmless compounds, predominantly ammonium. A formation of nitrite does not take place, on the contrary, even existing in the wastewater already existing nitrite is also converted (Inventive Example 6).
  • a process for the treatment of nitroaromatics and / or nitrohydroxy aromatic-containing wastewater characterized in that the wastewater is treated in a first stage with peat, lignite and / or hard coal and treated under reducing conditions and that obtained from the first stage Wastewater is then acidified in a second stage and oxidized with an oxidizing agent.
  • Wastewater containing nitroaromatics and / or nitrohydroxyaromatics is obtained in the preparation of nitroaromatics, for example in the preparation of nitrobenzene by nitration of benzene or the production of dinitrotoluene by nitration of toluene.
  • These effluents are obtained as alkaline solutions, since the nitro-hydroxy-aromatics dissolve in an alkaline medium in the form of their salts in an aqueous medium.
  • a wastewater containing such an alkaline nitroaromatic and / or nitrohydroxyaromatic is mixed with a reducing agent and heated to temperatures of 80-200 ° C., preferably 120-200 ° C., and in this temperature range for a residence time of between 5 minutes and 5 hours. preferably maintained for 15 min to 3 h.
  • the temperature to which the wastewater is heated kept constant for the duration of the residence time.
  • a non-salt-forming reducing agent is selected from peat. Lignite and / or hard coal, particularly preferably lignite of simple quality, used.
  • the particularly preferred lignite of simple quality is inexpensive, and optionally discharged from the process residues can be placed in a biological wastewater treatment plant.
  • the concentration of the reducing agent is preferably 1 to 200 g / L, particularly preferably 5 to 50 g / L, based on the volume of the wastewater.
  • peat, lignite or coal used as reducing agent differ in their degree of coalification, which is expressed in the proportion of volatiles and decreases in the order mentioned.
  • lignite of simple quality such as eg lignite show a proportion of 50-60% by weight of volatile constituents
  • hard lignite 45-50% by weight while the various types of hard coal have volatile constituents of less than 45% by weight.
  • peat volatile constituents of more than 50 wt .-% are characteristic and unlike lignite, it still contains free cellulose ( Römpp Chemistry Dictionary Online 2008, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, keywords “peat” and "Koh le ").
  • the wastewater obtained from the first stage is neutralized with an excess of acid and acidified.
  • the acidification can be carried out with a mineral acid, preferably sulfuric acid, but also with an organic acid.
  • organic acids it is preferred to use acetic acid or oxalic acid, which themselves are readily biodegradable. Mixtures of several acids can also be used for acidification.
  • the oxidation is carried out with an oxidizing agent.
  • an oxidizing agent This is preferably the iron-catalyzed wet oxidation with oxygen.
  • the acidified wastewater stream is mixed with a catalyst, preferably with iron (II) sulfate, and fed to an oxidation reactor in which the wastewater is preferably at 100-250 ° C., especially preferably 160-220 ° C. for 5 to 180 minutes, preferably 30 to 60 minutes, with an oxygen-containing gas, preferably with air, more preferably with technically pure oxygen.
  • the oxidation reactor used is preferably a bubble column or a plurality of bubble columns connected in parallel or in series.
  • effluents are so far freed from nitroaromatics, nitro-hydroxy-aromatics and nitrite that they can be delivered directly to the biological treatment in corresponding wastewater treatment plants.
  • a wastewater was used, as can be obtained in the production of nitroaromatics, for example in the production of nitrobenzene.
  • This wastewater contains no nitroaromatics, but several nitro-hydroxy-aromatics, which in the specific case invariably belong to the group of nitrophenols whose chemical name is abbreviated as follows: 2-NP: 2-nitrophenol 4-NP: 4-nitrophenol 2,4-DNP: 2,4-dinitrophenol 2,6-DNP: 2,6-dinitrophenol 2,4,6-TNP: 2,4,6-trinitrophenol, common name: picric acid
  • the content of nitrophenols in the wastewater was determined by HPLC analysis.
  • a suitable method is described for example by Belloli et al. described ( Belloli, R .; Barlette B .; Bolzacchini, E .: Meinardi, S .; Orlandi, M .; Rindone, B. "Determination of toxic nitrophenols in the atmosphere by high-performance liquid chromatography", Journal of Chromatography A, 846 (1999) 277-281 ).
  • Comparative Example 4 Pre-reduction with iron shavings or lignite without wet oxidation 4 or 5 l of wastewater from the production of nitroaromatics were mixed with 200 g of iron shavings or 200 g of lignite dust and kept at 200 ° C. for three hours. Subsequently, the wastewater was cooled and the concentration of nitro aromatics determined. Subsequent wet oxidation did not occur. As Table 3 shows, the degradation of nitrophenols by the pre-reduction with iron shavings to 64% and with brown coal to 86%.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufarbeitung von Nitroaromaten und Nitro-hydroxy-aromaten enthaltenden Abwässern, wie sie bei der Herstellung von Nitroaromaten anfallen.
  • Nitroaromaten und Nitro-hydroxy-aromaten wirken bakterizid und / oder sind biologisch schwer abbaubar. Sie dürfen daher nicht in die Umwelt gelangen und auch nicht in hohen Konzentrationen in biologische Kläranlagen eingeleitet werden. Dies macht die verfahrenstechnische Aufarbeitung dieser Abwässer erforderlich, damit die Abwässer einer biologischen Kläranlage zugeführt werden können.
  • Der Stand der Technik offenbart mehrere verfahrenstechnische Lösungen zum Abbau von Nitro-und Nitro-hydroxy-aromaten in wässrigen Lösungen, die aber alle durch signifikante Nachteile gekennzeichnet sind.
  • DE 2818680 A1 beansprucht ein Verfahren zur Aufarbeitung von Nitro-hydroxy-aromaten enthaltenden Abwässern, dadurch gekennzeichnet, dass man die Nitro-hydroxy-aromaten enthaltenden Abwässer unter Luft- und Sauerstoffausschluss auf Temperaturen im Bereich von 150 °C bis 500 °C unter Druck erhitzt. Als bevorzugter Druckbereich werden 50 bis 350 bar angegeben. Für dieses Verfahren ist es vorteilhaft, wenn die Abwässer die Nitro-hydroxy-aromaten in Form ihrer wasserlöslichen Salze enthalten, die im alkalischen Milieu gebildet werden können. Nachteilig ist an diesem Verfahren der hohe erforderliche Druck, der bei der kontinuierlichen Durchführung dieses Verfahrens zu hohen Kosten für die Bereitstellung und Betreibung geeigneter Pumpen führt. Auch ist für die Aufrechterhaltung der geforderten Temperatur eine permanente Beheizung erforderlich. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist, dass der Gehalt an Nitrit-Ionen in dem Abwasser durch das Verfahren nicht verringert wird, sondern wie den Beispielen der DE 2818680 Au zu entnehmen ist, mindestens konstant bleibt (Beispiel 4), sich aber auch verdoppeln kann (Beispiel 2). Nitrit-Ionen sind ebenfalls bakterizid und können nur in geringem Maße von biologischen Kläranlagen akzeptiert werden.
  • EP 503387 B1 beansprucht ein Verfahren zur Aufarbeitung von aromatischen Nitroverbindungen enthaltenden Abwässern aus Anlagen zur Herstellung von Nitrobenzol durch Behandlung mit Salpetersäure bei Temperaturen von 180 bis 350 °C und Drücken von 40 bis 250 bar. Durch eine derartige Behandlung sinkt der Gehalt an Nitro-hydroxy-aromaten auf Werte von unter 1 ppm bei einem gleichzeitigen TOC-Abbau (TOC = Total Organic Carbon) von mehr als 95 %.
  • Nachteilig an diesem Verfahren sind die erforderlichen Betriebsbedingungen, sowie der Einsatz von Salpetersäure, der die Nitratfracht im Abwasser erhöht.
  • EP 1132347 B1 beansprucht ein Verfahren, in dem Abwässer aus der Nitroaromatensynthese zunächst bis nahe an oder über die Löslichkeit der Nitro-hydroxy-aromaten aufkonzentriert werden und dann einer thermischen Abbaubehandlung unterzogen werden, die bevorzugt bei für Wasser superkritischen Bedingungen durchgeführt wird. Zur Durchführung dieses Verfahrens sind Betriebsbedingungen oberhalb des kritischen Druckes und der kritischen Temperatur von Wasser erforderlich. Der kritische Druck von Wasser liegt bei 218,3 bar und die kritische Temperatur von Wasser bei 374,1 °C (Handbook of Chemistry and Physics, R.C. Weast (Editor), CRC Press, Boca Raton, 66th Edition, 1985, Seite F-64, Tabelle 2). Der Betrieb einer Abwasserbehandlung unter solchen Bedingungen verursacht hohe Kosten.
  • Ebenfalls durch hohe Kosten zeichnen sich alle Verfahren aus, die Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel nutzen. Zumeist wird dabei zweiwertiges Eisen als Katalysator unter sauren Bedingungen eingesetzt. Dieses Verfahren wird als Fenton-Oxidation bezeichnet. Die Wirksamkeit dieses Verfahrens zur Elimination von Nitroaromaten wurde nachgewiesen (z. B. E. Chamarro, A. Marco, S. Esplugas (2001): Use of fenton reagent to improve organic chemical biodegradability. Water Research 35 (4), Pages 1047-1051, oder EP 22525 B1 , oder EP 360989 B1 ). Gegenüber den oben genannten Verfahren weist dieses Verfahren den Vorteil auf, dass es drucklos und bei Umgebungstemperatur betrieben werden kann. Allerdings verursacht das eingesetzte Oxidationsmittel Wasserstoffperoxid hohe Kosten, die umso höher liegen, je höher der Gehalt an Nitroaromaten oder Nitro-hydroxy-aromaten im Abwasser ist. Zudem ist dem Verfahren ein hoher Verbrauch an katalytisch aktivem Eisen eigen, so dass erhebliche Mengen an Schlamm entstehen, deren Entsorgung zusätzliche Kosten verursacht. Für höher belastete Abwässer wie sie z. B. bei der Herstellung von Nitroaromaten oder bei der Herstellung von Nitro-hydroxy-aromaten anfallen, sind die Verfahren, die Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel einsetzen, daher ungeeignet.
  • DE 3316265 C2 beansprucht ein Verfahren zur Nassoxidation von organischen Stoffen in belasteten Abwässern durch Behandlung mit Sauerstoff bei erhöhten Temperaturen und Drücken unter Anwesenheit eines Redoxsystems, wie Eisenionen und unter gleichzeitiger Anwesenheit von Co-Katalysatoren wie Benzochinon, Naphtochinon oder p-Aminphenol. Die Nassoxidation wird im saueren Milieu bei pH = 1 - 4, Temperaturen von 50 - 200 °C und Drücken von 1 bis 60 bar durchgeführt.
  • Beispiel 17 dieser Schrift beschreibt, dass die für die Oxidation erforderlichen Co-Katalysatoren auch durch alkalische Behandlung von Braunkohle gewonnen werden kann, sofern die Braunkohle auch während des Oxidationsschrittes in der Reaktionsmischung verbleibt. Beispiel 18 beschreibt die identische Vorgehensweise für Steinkohle.
  • Diese Schrift lehrt außerdem, Abwässern, die oxidierend wirkende Substanzen wie z.B. Nitroaromaten enthalten, ein Reduktionsmittel, wie z.B. Hydrazin, Schwefeldioxid, Natriumsulfid oder Eisenspäne zuzusetzen um die beispielhaft genannten Nitroaromaten in Amine umzuwandeln. Diese Reduktion muss in einem vorgeschalteten Verfahrensschrittt erfolgen, wie u. a. aus Beispiel 16 der Schrift geht hervorgeht, in dem Natriumsulfid als Reduktionsmittel zum Einsatz kommt. Dort wurde ein Abwasser, wie es bei der Nitrostilbensäure-Synthese anfällt mit Natronlauge auf pH = 12 gebracht, mit 2 g/L Natriumsulfid versetzt und bei 140 °C in Abwesenheit von Sauerstoff 30 Minuten gehalten. Daraufhin wurde das Abwasser bei 180 °C, einem Sauerstoffpartialdruck von 5 bar, bei pH = 2 und der Anwesenheit von Eisen(II)sulfat oxidiert. Durch eine 90minütige Behandlung dieser Art wurde der DOC-Wert um etwa 80 % reduziert (DOC = Dissolved Organic Carbon).
  • Die Verwendung der von DE 3316265 C2 empfohlenen Reduktionsmittel ist jedoch nachteilig, da diese teuer sind (Hydrazin, Sulfide, Sulfite) und / oder das Abwasser mit zusätzlicher Salzfracht belasten (Sulfate, Metallionen). Dennoch weist dieses Verfahren gegenüber dem Stand der Technik einige Vorzüge auf, da es bei niedrigen Drücken und Temperaturen den Abbau von organischen Verbindungen in Abwässern realisieren kann.
  • Aufgabe der Erfindung war es daher ein betriebssicheres, einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Aufarbeitung von Nitroaromaten und Nitro-hydroxy-aromaten enthaltenden Abwässern bereitzustellen, das sich durch ökonomisch günstige Betriebsbedingungen auszeichnet und das gewährleistet, dass das behandelte Abwasser in eine biologische Kläranlage eingeleitet werden kann.
  • Überraschend wurde gefunden, dass die Aufarbeitung von Nitroaromaten und Nitro-hydroxy-aromaten enthaltenden Abwässern im Sinne dieser Erfindung gelingt, wenn das Verfahren zur Aufarbeitung dieser Abwässer zweistufig durchgeführt wird und in der ersten Stufe die Nitroaromaten und Nitro-hydroxy-aromaten durch ein kostengünstiges, nicht salz-bildendes Reduktionsmittel ausgewählt aus Torf, Braunkohle und / oder Steinkohle, reduziert, also hydriert, werden, sowie in der zweiten Stufe die erhaltene Reaktionsmischung aus der ersten Stufe im sauren Milieu einer eisen-katalysierten Nassoxidation mit Sauerstoff unterzogen wird.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Nitroaromaten und / oder Nitrohydroxy-aromaten enthaltendem Abwasser, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwasser in einer ersten Stufe mit einem organischen Reduktionsmittel, das in dem Abwasser nicht salz-bildend ist, ausge wählt aus Torf, Braunkohle und / oder Steinkohle, versetzt und unter reduzierenden Bedingungen behandelt wird und das aus der ersten Stufe erhaltene Abwasser anschließend in einer zweiten Stufe sauer gestellt und mit einem Oxidationsmittel oxidiert wird.
  • Es wurde gefunden, dass eine eisen-katalysierte Nassoxidation mit Sauerstoff im alkalischen Milieu alleine nicht ausreicht um Nitro-hydroxy-aromaten zufriedenstellend abzubauen (Vergleichsbeispiel 1) und sich eine eisen-katalysierte Nassoxidation mit Sauerstoff im sauren Milieu verbietet, da die Nitro-hydroxy-aromaten im Sauren als Feststoffe ausfallen und die Feststoffe explosionsgefährlich sein können (Vergleichsbeispiel 2). Eine vollständige Eliminierung der Nitro-hydroxy-aromaten gelingt mit einer eisen-katalysierten Nassoxidation mit Sauerstoff dann, wenn - wie in DE 3316265 C2 beschrieben - die Nitro-hydroxy-aromaten im chemischen Sinne reduziert, werden, z.B. mit Natriumsulfit (Vergleichsbeispiel 3).
  • Um die Verwendung des teuren und Sulfatfracht verursachenden Natriumsulfits zu umgehen, wurde der Einsatz von kostengünstigeren Hilfsstoffen wie Eisenspänen und Braunkohle überprüft. Mit Eisenspänen, die als Reduktionsmittel bekannt sind, wird der Gehalt an Nitro-hydroxy-aromaten durch die Vor-Reduktion um 64 % verringert. Überraschend wurde jedoch gefunden, dass auch Braunkohle im alkalischen Milieu als Reduktionsmittel für die Reduktion von Nitro-hydroxy-aromaten eingesetzt werden kann, wenn die Vor-Reduktion bei erhöhter Temperatur, bevorzugt bei 120 - 200°C durchgeführt wird. Durch Braunkohle kann der Gehalt an Nitro-hydroxy-aromaten um 86 % verringert werden (Vergleichsbeispiel 4).
  • Wird die eisen-katalysierte Nassoxidation eines Nitro-hydroxy-aromaten enthaltenden Abwassers mit Sauerstoff mit der Vor-Reduktion des Abwassers mit Braunkohle im alkalischen Milieu kombiniert, so gelingt der vollständige Abbau der Nitro-hydroxy-aromaten (Erfindungsgemäßes Beispiel 5). Dabei zeichnet sich Braunkohle als kostengünstiges Reduktionsmittel aus und trägt nicht zur Steigerung der Salzfracht des Abwassers bei, da sie selbst biologisch abbaubar ist. Der in den Nitroaromaten oder Nitro-hydroxy-aromaten enthaltene Stickstoff wird dabei in Bakterienunschädliche Verbindungen überführt, überwiegend Ammonium. Eine Bildung von Nitrit findet nicht statt, im Gegenteil wird sogar im Abwasser bereits vorhandenes Nitrit ebenfalls umgewandelt (Erfindungsgemäßes Beispiel 6).
  • Erfindungsgemäß ist daher ein Verfahren zur Behandlung von Nitroaromaten und / oder Nitrohydroxy-aromaten enthaltendem Abwasser, dadurch gekermzeichnet, dass das Abwasser in einer ersten Stufe mit Torf, Braunkohle und / oder Steinkohle versetzt und unter reduzierenden Bedingungen behandelt wird und das aus der ersten Stufe erhaltene Abwasser anschließend in einer zweiten Stufe sauer gestellt und mit einem Oxidationsmittel oxidiert wird.
  • Nitroaromaten und / oder Nitro-hydroxy-aromaten enthaltende Abwässer fallen bei der Herstellung von Nitroaromaten, wie zum Beispiel bei der Herstellung von Nitrobenzol durch Nitrierung von Benzol oder der Herstellung von Dinitrotoluol durch Nitrierung von Toluol an. Diese Abwässer fallen als alkalische Lösungen an, da sich die Nitro-hydroxy-aromaten im alkalischen Milieu in Form ihrer Salze in wässrigem Medium lösen. Ein solches alkalisches Nitroaromaten und / oder Nitro-hydroxy-aromaten enthaltendes Abwasser wird mit einem Reduktionsmittel versetzt und auf Temperaturen von 80 - 200 °C, bevorzugt 120 - 200 °C erhitzt und in diesem Temperaturbereich für eine Verweilzeit zwischen 5 min und 5 h, bevorzugt 15 min bis 3 h gehalten. Bevorzugt wird die Temperatur, auf die das Abwasser aufgeheizt wird, für die Dauer der Verweilzeit konstant gehalten. Als Reduktionsmittel wird erfindungsgemäß ein nicht salz-bildendes Reduktionsmittel ausgewählt aus Torf. Braunkohle und / oder Steinkohle, besonders bevorzugt Braunkohle einfacher Qualität, eingesetzt. Die besonders bevorzugte Braunkohle einfacher Qualität ist kostengünstig, und gegebenenfalls aus dem Verfahren ausgetragene Reste können in eine biologische Kläranlage gegeben werden. Die Konzentration des Reduktionsmittels beträgt bezogen auf das Volumen des Abwassers bevorzugt 1 bis 200 g/L, besonders bevorzugt 5 bis 50 g/L.
  • Die als Reduktionsmittel eingesetzten Torfe, Braunkohlen oder Steinkohlen unterscheiden sich durch ihren Inkohlungsgrad, der sich an dem Anteil an flüchtigen Bestandteilen äußert und in der genannten Reihenfolge abfällt. So zeigen Braunkohlen einfacher Qualität wie z.B. Lignit einen Anteil von 50 - 60 Gew.-% an flüchtigen Bestandteilen, Hartbraunkohle 45 - 50 Gew.-%, während die verschiedenen Steinkohlesorten flüchtige Bestandteile von weniger als 45 Gew.-% aufweisen. Für Torf sind flüchtige Bestandteile von mehr als 50 Gew.-% charakteristisch und er enthält im Gegensatz zu Braunkohle noch freie Cellulose (Römpp Chemielexikon Online 2008, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, Stichworte "Torf" und "Kohle").
  • Das aus der ersten Stufe (Vor-Reduktion) erhaltene Abwasser wird mit einem Überschuss an Säure neutralisiert und sauer gestellt. Das Ansäuern kann mit einer mineralischen Säure, bevorzugt Schwefelsäure, aber auch mit einer organischen Säure erfolgen. Als organische Säuren werden bevorzugt Essigsäure oder Oxalsäure eingesetzt, die selbst leicht biologisch abbaubar sind. Auch Mischungen mehrerer Säuren können zum Ansäuern eingesetzt werden.
  • Nach dem Ansäuern erfolgt in der zweiten Stufe die Oxidation mit einem Oxidationsmittel. Bevorzugt handelt es sich dabei um die eisen-katalysierte Nassoxidation mit Sauerstoff. Dazu wird der sauer gestellte Abwasserstrom mit einem Katalysator, bevorzugt mit Eisen(II)sulfat, versetzt und einem Oxidationsreaktor zugeführt, in dem das Abwasser bevorzugt bei 100 - 250 °C, besonders bevorzugt 160 - 220 °C für 5 bis 180 Minuten, bevorzugt 30 bis 60 Minuten, mit einem sauerstoffhaltigern Gas, bevorzugt mit Luft, besonders bevorzugt mit technisch reinem Sauerstoff, behandelt wird. Als Oxidationsreaktor werden bevorzugt eine Blasensäule oder mehrere parallel oder in Reihe geschaltete Blasensäulen verwendet.
  • Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Abwässer sind soweit von Nitroaromaten, Nitro-hydroxy-aromaten und Nitrit befreit, dass sie unmittelbar zur biologischen Reinigung in entsprechende Kläranlagen abgegeben werden können.
    • Beispiele
  • Für die nachfolgenden Beispiele wurde ein Abwasser eingesetzt, wie es in der Produktion von Nitroaromaten, zum Beispiel in der Produktion von Nitrobenzol erhalten werden kann. Dieses Abwasser enthält keine Nitroaromaten, aber mehrere Nitro-hydroxy-aromaten, die im konkreten Falle ausnahmslos der Gruppe der Nitrophenole angehören, deren chemische Bezeichnung wie folgt abgekürzt wird:
    2-NP: 2-Nitrophenol
    4-NP: 4-Nitrophenol
    2,4-DNP: 2,4-Dinitrophenol
    2,6-DNP: 2,6-Dinitrophenol
    2,4,6-TNP: 2,4,6-Trinitrophenol, Trivialname: Pikrinsäure
  • Der Gehalt an Nitrophenolen im Abwasser wurde mittels HPLC-Analytik ermittelt. Eine dazu geeignete Methode wird beispielsweise von Belloli et al. beschrieben (Belloli, R.; Barlette B.; Bolzacchini, E.: Meinardi, S.; Orlandi, M.; Rindone, B. "Determination of toxic nitrophenols in the atmosphere by high-performance liquid chromatography", Journal of Chromatography A, 846 (1999) 277-281).
    • Vergleichsbeispiel 1: Nassoxidation im alkalischen Milieu ohne Vor-Reduktion
  • 4 L Abwasser aus der Produktion von Nitroaromaten, das stark alkalisch war, wurden in einen Labor-Rührwerksbehälter gegeben und stufenweise auf 200 °C erhitzt. Außerdem erfolgte die Zugabe von Sauerstoff auf einen Gesamtdruck von 20 bar. Nach 3 Stunden wurde das Abwasser abgekühlt und die Konzentration der Nitroaromaten bestimmt. Wie Tabelle 1 zeigt gelingt der Abbau der Nitrophenole durch die Nassoxidation ohne Vor-Reduktion nur zu 62 %. Tabelle 1
    2-NP 4-NP 2,4- DNP 2,6- DNP 2,4,6-TNP Summe Nitrophenole
    mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg
    Abwasser vor Behandlung 1 440 106 7 756 1 416 376 11 094
    Probe nach Behandlung 367 80 3 011 681 72 4 211
    • Vergleichsbeispiel 2: Nassoxidation im sauren Milieu ohne Vor-Reduktion
  • 1 L Abwasser aus der Produktion von Nitroaromaten, das stark alkalisch war, wurde in einem Becherglas mit Schwefelsäure versetzt, um es zu neutralisieren und sauer zu stellen. Es erfolgte ein Ausfallen eines weißen Niederschlags, der aus festen Nitro-hydroxy-aromaten bestand. Da nicht auszuschließen ist, dass von diesen Feststoffen eine Gefährdung durch ihre Explosionsgefährlichkeit ausgeht, wurde aus Sicherheitsgründen keine Nassoxidation durchgeführt.
    • Vergleichsbeispiel 3: Vor-Reduktion mit Natriumsulfit (anorganisch) und Nassoxidation
  • 4,5 L Abwasser aus der Produktion von Nitroaromaten wurden mit 270 g Natriumsulfit versetzt, in einen Labor-Rührwerksbehälter gegeben und für eine Stunde bei 70 °C gehalten. Anschließend wurden 4 L des so behandelten Abwassers mit 67 mL Schwefelsäure und 6 g Eisen(II)sulfat-Heptahydrat versetzt. Anschließend erfolgte eine stufenweise Erhitzung auf 200 °C und die Zugabe von Sauerstoff auf einen Gesamtdruck von 20 bar. Nach 3 Stunden wurde das Abwasser abgekühlt und die Konzentration der Nitroaromaten bestimmt. Wie Tabelle 2 zeigt, wurden sämtliche Nitrophenole bis unter die Nachweisgrenze eliminiert. Eine derartige Behandlung ist jedoch wegen des hohen Preises des Reduktionsmittels unwirtschaftlich. Tabelle 2
    2-NP 4-NP 2,4- DNP 2,6- DNP 2,4,6-TNP Summe Nitrophenole
    mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg
    Abwasser vor Behandlung 1 440 106 7 756 1 416 376 11 094
    Probe nach Behandlung <1 <1 <1 <1 <1 < 5
  • Vergleichsbeispiel 4: Vor-Reduktion mit Eisenspänen oder Braunkohle ohne Nassoxidation 4 bzw. 5 L Abwasser aus der Produktion von Nitroaromaten wurden mit 200 g Eisenspänen bzw. mit 200 g Braunkohlestaub versetzt und für drei Stunden bei 200 °C gehalten. Anschließend wurde das Abwasser abgekühlt und die Konzentration der Nitroaromaten bestimmt. Eine anschließende Nassoxidation fand nicht statt. Wie Tabelle 3 zeigt, gelingt der Abbau der Nitrophenole durch die Vor-Reduktion mit Eisenspänen zu 64 % und mit Braunkohle zu 86 %. Tabelle 3
    2-NP 4-NP 2,4- DNP 2,6- DNP 2,4,6-TNP Summe Nitrophenole
    mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg
    Abwasser vor Behandlung 1 074 104 5 350 1 382 512 8 422
    Probe nach Behandlung mit Eisenspänen 117 106 2677 106 <20 3046
    Probe nach Behandlung mit Braunkohlestaub 135 70 935 27 <5 1 172
    • Erfindungsgemäßes Beispiel 5: Vor-Reduktion mit Braunkohle (organisch) und Nassoxidation
  • 5 L Abwasser aus der Produktion von Nitroaromaten wurden mit 200 g Braunkohlestaub versetzt und für drei Stunden bei 200 °C gehalten. Anschließend wurden 4 L des so behandelten Abwassers mit 51 mL Schwefelsäure und 6 g Eisen(II)sulfat-Heptahydrat versetzt. Anschließend erfolgte eine stufenweise Erhitzung auf 200 °C und die Zugabe von Sauerstoff auf einen Gesamtdruck von 20 bar. Nach 3 Stunden wurde das Abwasser abgekühlt und die Konzentration der Nitrophenole bestimmt. Wie Tabelle 4 zeigt, wurden sämtliche Nitrophenole bis unter die Nachweisgrenze eliminiert. Tabelle 4
    2-NP 4-NP 2,4- DNP 2,6- DNP 2,4,6-TNP Summe Nitrophenole
    mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg
    Abwasser vor Behandlung 1 074 104 5 350 1 382 512 8 422
    Probe nach Behandlung < 5 < 5 < 5 < 5 < 5 < 25
    • Erfindungsgemäßes Beispiel 6: Elimination von Nitrit
  • 5 L Abwasser aus der Produktion von Nitroaromaten wurden mit 50 g Braunkohlestaub versetzt und für drei Stunden bei 180 °C gehalten. Anschließend wurde eine Probe entnommen und die Konzentration der Stickstoffspezies bestimmt. 3 L des so behandelten Abwassers wurden dann mit Schwefelsäure und 4,5 g Eisen(II)sulfat-Heptahydrat versetzt. Anschließend erfolgte eine stufenweise Erhitzung auf 200 °C und die Zugabe von Sauerstoff auf einen Gesamtdruck von 20 bar. Nach 2 Stunden wurde das Abwasser abgekühlt und die Konzentration der Stickstoffspezies bestimmt. Wie Tabelle 5 zeigt, wurde Nitrit vollständig entfernt und die Stickstoff-Spezies überwiegend in Ammonium umgesetzt. Tabelle 5
    N(gesamt) NO3 --N NO2 --N NH4 +-N
    mg/l mg/l mg/l mg/l
    Abwasser vor Behandlung 1 910 < 1 290 16
    Probe nach Reduktion mit Braunkohle 1 690 < 1 284 486
    Probe nach Oxidation mit Sauerstoff 1 310 78 <1 1 678

Claims (4)

  1. Verfahren zur Behandlung von Nitroaromaten und / oder Nitro-hydroxy-aromaten enthaltendem alkalischem Abwasser aus der Produktion von Nitroaromaten dadurch gekennzeichnet, dass das alkalische Abwasser in einer ersten Stufe mit einem organischen Reduktionsmittel, das in dem Abwasser nicht salz-bildend ist, ausgewählt aus Torf, Braunkohle und / oder Steinkohle, versetzt und unter reduzierenden Bedingungen behandelt wird, wobei das alkalische Abwasser auf Temperaturen von_ 80 - 200 °C erhitzt und in diesem Temperaturbereich für eine Verweilzeit zwischen 5 min und 5 h gehalten wird, und das aus der ersten Stufe erhaltene Abwasser anschließend in einer zweiten Stufe sauer gestellt und mit einem Oxidationsmittel oxidiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidationsmittel Sauerstoff eingesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stufe in einem Reaktor durchgeführt wird, in den direkt Säure eingeführt wird und in dem die Oxidation durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nitroaromaten und / oder Nitro-hydroxy-aromaten enthaltende Abwasser aus der Produktion von Nitrobenzol oder Dinitrotoluol stammt.
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